对美国更新半导体出口管制的分析及对未来的几个判断

文摘   科技   2024-04-01 07:41   英国  

3月29日BIS发布了新修订的半导体出口管制规则(3·29规则),本来不想写什么,因为和2022年10月7日(10·7规则)、2023年10月17日(10·17规则)相比,3·29规则实在没有很实质性的发展。但不少读者在后台留言询问影响,故谨在此做一些简要分析

3·29规则实际是对10·7和10·17两个规则的“补漏洞”,同时在实施层面提出了更严格的要求。例如通过对受控芯片最终用途进行更细致的规定收紧了许可例外。针对把受控物项集成到其他外国制造的设备,而这些设备又被中国用于研发或生产先进半导体制造设备的情况,进一步明确了对其的限制规则。关于最终用户怎么证明出口物项不会用于中国的半导体制造设备的研发或生产,新规强调了出口商不能故意装作不知道这些物项会被用来做什么,也不能故意通过设计交易方式来绕过管制。

3·29规则还进一步明确了分别适用“推定拒绝”“推定批准”“逐案审查”三类不同许可政策的情形。“推定拒绝”和“推定批准”分别体现了对中国的严格限制和对盟友的安抚。对不用于数据中心,但满足受控AI芯片性能参数的芯片,以及不属于受控AI芯片,但性能接近的芯片,BIS会进行逐案审查。这体现了美国政府对先进AI芯片的高度关注。

在对可用于数据中心的先进AI芯片的管制方面,3·29规则对10·17规则一些比较模糊的地方做了进一步阐释。其中对“总处理性能”(Total Processing Performance, TPP)的详细解释令人印象深刻。这些生涩拗口的技术术语很难懂,但我们可以通过类比的方式帮助理解。

1、"总处理性能"("TPP")是所有集成电路上的处理单元的"MacTOPS"乘以"操作的位长度"的2倍的总和。假设我们在玩一个视频游戏,需要靠做一些数学运算来得分,TPP就是我们会获得的总分。MacTOPS相当于芯片的一个处理单元解决一个特定数学问题的速度,乘以2,然后再乘以它处理的数字的大小(即操作的位长度)就得到了一个处理单元得到的分数。把一块芯片的不同处理单元的得分加起来,就是TPP。)

a. 对于3A090条款而言,"MacTOPS"是乘累加运算(D=AxB+C)每秒理论峰值Tera(10^12)次操作的数量。MacTOPS代表芯片每秒钟能完成多少万亿次这种乘累加的计算。这个数字越大,说明芯片处理这种特定计算任务的能力越强。

b. "TPP"公式中的2是基于行业惯例,将一个乘累加计算,D=AxB+C,视为2次操作以用于数据表。因此,2倍MacTOPS可能对应于数据表上报告的TOPS或FLOPS这里之所以要乘以2,是因为根据行业惯例,这项计算包含了两个主要的动作:一次乘法(AxB)和一次加法(+C)。所以,即便它是一条公,我们也按照两次操作来计数。

c. 对于3A090条款而言,乘累加运算的"操作的位长度"是乘法操作输入的最大位长度。“操作的位长度”,相当于说芯片在做数学问题时处理的数字有多大。)

d. 将集成电路上每个处理单元的TPP总和加起来,得到总TPP。"TPP" = TPP1 + TPP2 + ... + TPPn(其中n是集成电路上的处理单元数量)。要得到总的TPP,只需要把芯片所有处理单元的TPP分数加起来。)      

2、"MacTOPS"的速率应以理论上可能达到的最大值计算。"MacTOPS"的速率被假定为制造商在年度报告或宣传册中声称的最高值。例如,4800的"TPP"阈值可以通过600 Tera整数操作(或2 x 300 "MacTOPS")在8位或300 Tera FLOPS(或2 x 150 "MacTOPS")在16位来满足。如果IC设计用于执行具有多个位长度的MAC计算,从而实现不同的"TPP"值,则应评估最高的"TPP"值是否符合3A090的参数。MacTOPS的速率,有点像我们买一辆车的时候,车行老板会告诉我们说这个车最高时速是多少。说一块芯片的计算速度可以达到8位时600万亿次操作,或16位时300万亿次操作,就好比说一辆车最高可以开到每小时200英里。一些芯片可以处理的数字有很大的、也有比较小的,就像车可以开到最高200英里每小时,也可能以低于20英里每小时在市区的道路行驶。但是,对评估是不是要管制来说,只看车最快能有多快,即芯片能达到的最大计算速度。)

3、对于3A090指定的、同时提供稀疏和密集矩阵处理的集成电路,"TPP"值是处理密集矩阵(例如,不考虑稀疏性)的值。如果一个芯片可以既处理特别简单的数学问题,也可以处理特别复杂的,美国出口管制关心的TPP分数,是芯片在做复杂数学问题的时候所能达到的数值。)

4、"性能密度"是"TPP"除以"适用的芯片面积"。对于3A090条款而言,"适用的芯片面积"以平方毫米计量,并包括所有使用非平面晶体管架构工艺节点制造的逻辑芯片的芯片面积。这里可以用汽车类比芯片,所谓性能密度。相当于汽车发动机功率相对车身重量的一个比例。一个发动机功率很大但车身不是很重的赛车,跑得会非常快,因为单位车身重量能得到更多的动力。TPP分数就像是汽车的动力(告诉我们一个芯片能做多少计算)。但这里我们关心的不是芯片的重量,而是这个芯片占用了多少物理空间、这些空间能提供多少计算。高性能密度意味着你能从比较小的空间获得更多计算资源,设备更强大但体积却不用变大。就像一辆车功率很大但重量很轻,能轻松超过功率一样但更重的车。)

在半导体制造设备方面,3·29新规比较重要的是对3B001的修订,把EUV掩模(ECCN 3B001.j)和相关软件及技术纳入管制;对分子束外延生长、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)等设备的限制,引入了一些更加精细化的指标,符合这些指标的设备往往能制造受限的先进制程芯片,因此受到管制。

分子束外延生长设备,是一种特殊的半导体制造机器,它通过一种叫做“分子束外延”的方法在芯片上制造层。就像一个画家要一层层地在一块画布上做画,画布的每一层都非常薄,画得还得很精确,这就需要一只超细的画笔。分子束外延(MBE)就像这种画笔,芯片厂用它发射微小的“分子束”(超细的材料喷雾)到晶圆上,通过精密地控制束流,铺设薄到只有几个原子厚的材料层,从而制造出更小、更先进的芯片。

3·29规则明确:专为硅(Si)、掺碳硅、硅锗(SiGe)或掺碳硅锗外延生长设计的分子束外延生长设备要受到管制。这可能是因为这些材料常被用来制造先进制程的芯片。

化学气相沉积(CVD)设备,像是一个高级喷漆机,会在封闭的空间(比如一个大瓶子)里放入一些特殊的气体并加热,催生化学反应,产生一种固体材料,这种材料会均匀地附着在放在瓶子里的芯片或其他物体表面上。CVD设备在制作芯片时,需要在比地球上的大气压低很多的压力下工作,这样它们才能在材料表面准确地添加薄层。PECVD更高级,不仅能在比CVD更低的压力下工作,还有些高级功能,比如自动把一片片晶圆从一个容器转移到另一个容器,中间完全不需要人工干预。CVD越能在更低压力下工作,性能越好,越可能用来制造先进芯片。

3·29规则明确:操作压力低于10^5帕的CVD要管制。如果属于PECVD设备,操作压力低于60帕(450毫托)或具有自动盒式到盒式和负压锁紧的晶圆处理功能的,也要管制。

和分子束外延生长设备类似,原子层沉积(ALD)设备也相当于一个能在微观尺度上作画的高科技工具。可以想象成用最精细的画笔在一张纸上涂画,每一次笔触都只添加一层极薄的颜料。这里的“画笔”是化学气体,“纸张”是芯片或其他基材的表面,添加颜料的过程就是ALD。ALD设备通过交替引入不同的气体到反应室来工作。每种气体都能在基材表面形成一个原子层,然后设备会把多余的气体排出,再引入下一种气体。这个过程反复进行,直到达到所需的膜层厚度。

3·29规则提出了ALD的几个新指标,满足的话就会管制。比如一些ALD设备能在特定区域内使用等离子体(一种带电的气体)来帮助材料沉积,以更精确地控制沉积过程,只在需要的地方添加材料。就像一个很高级的烤箱,可以精确控制热量在烤盘上的分布,只在你想要烘焙的区域加热,保证食物烹饪得恰到好处。修订规则明确,带有这种功能的ALD是要管制的。其他还有用于添加钛铝碳化物这种特殊的金属混合物的设备、可以把钨非常精确地填充到芯片上宽度不到一根头发丝的小通道里的设备、以及能够产生一种含有很少氟的钨薄膜的设备,都分别因为其某些方面或者性能可以帮助制造受限先进芯片而进入管制之列。

相比其具体内容和影响,3·29规则和此前的10·7、10·17新规结合起来所体现的美国对华芯片战未来发展趋势,可能更加重要。在此斗胆作出以下判断:

1、美国对先进芯片的出口管制标线已趋于稳定。在去年10·17规则出台后不到半年,美国就再次予以更新并出台3·29规则,可能恰恰说明系统性、大规模的管制措施已接近出清,今后更多的将是对现有制度的快修快补。管制标线将大体固定在10·17新规的水平,在相当一段时期之内应不会再进一步收紧。美国负责出口管理的助理商务部长Thea  Kendler近期也对媒体表示:“没有兴趣将限制进一步扩大到成熟芯片或传统芯片”。下一阶段,BIS工作的重点料将进一步转向加强执法、补上漏洞,确保10·7和10·17两个规则得到真正实施,可能会重拳打击一些涉嫌规避出口管制的情况,树立典型和建立威慑。已经公开征求意见的对IaaS云服务的限制规则也会尽快出台。

2、对先进芯片制造设备,美国现在的策略可总结为:卡住设备增量、等待存量耗尽。主管BIS的商务部助理部长Alan Estevez去年10月接受《日经亚洲》采访时表示:“中国现有的这些先进设备迟早或多或少地会出现故障,如果无法获得所需的零部件,这将阻碍中国芯片产业取得进一步进展。”美国打的是明牌,但卡住增量并不容易,需要荷兰、日本和韩国的配合。过去一段时间,关于美国政府正在向荷兰、德国、韩国和日本等盟友施压,要求进一步限制半导体制造设备对华出口的消息不断见诸报端。美国据称正敦促荷兰阻止ASML为中国公司囤积的DUV光刻机提供服务和维修,还要求日本限制向中国出口光刻胶。据报道,从2023年下半年开始,美国对韩国施压力度也空前增加,甚至点名韩国的特定企业。今年2月,美国商务部和韩国产业通商资源部就此问题展开了协商,韩国迫于压力可能需“一定程度”上满足美方要求。

“卡住增量”可能还包括对中国半导体制造企业的进一步制裁。美国拟禁止一些中国公司获得关键制造设备。2023年底,美国商务部据称向中芯国际的美国供应商Entegris等公司发函,要求暂停向中芯国际出口一些芯片制造设备和零部件。近期,外媒透露美国商务部正考虑将多家与华为有关联的中国半导体公司列入实体清单,并制裁长鑫存储等6家中国企业。

3、美国会继续协调盟友搭建多边管制。这从长期看是最有效的管制方法,虽然大部分进展在水下,但非常值得关注。近年来,美国政策界一直在呼吁建立一个针对半导体的“瓦森纳安排+”(“Wassennar Plus”)多边出口管制机制,在《瓦森纳安排》之外再搞一个新的、排除俄罗斯的西方管制机制,美国商务部和国务院有可能正推进相关工作。值得注意的是,商务部近来设立了一个首席助理部长帮办,其领导的国际政策办公室(International Policy Office),主要职责就是推进建立半导体的多边管制机制。3月28日,Thea  Kendler在年度出口管制政策更新会议上透露,在美国国务院努力下,美国和相关国家将在近期公布新的多边管制措施,以实施2022年和2023年《瓦森纳安排》下拟采取的管制措施。

4、成熟制程芯片可能成为下个战场。美国国会中美战略竞争特别委员会已经在施压美国贸易代表办公室和商务部对中国出口到美国的成熟制程芯片加征关税。Alan Estevez去年10月曾公开表示,反补贴税、232、301调查是应对中国企业向全球市场“倾销低端芯片”的工具。雷蒙多也在不同场合指责:中国以“令人忧虑的做法”扩大国内成熟制程芯片产能,令美国公司无法与之竞争。去年12月,美国商务部宣布对半导体供应链展开调查,以弄清楚美国关键产业供应链使用中国成熟制程芯片的情况。欧盟据称也在考虑对欧企使用中国成熟制程芯片的情况进行审查。由于成熟制程芯片基本上不单独出口,而是内嵌在家电等一般电子消费品中出口,加关税势必引起这些消费品价格上涨,对老百姓的实际生活产生影响。下一步,美国会不会单独或者联合欧盟使用贸易工具打击中国的成熟制程芯片产业,值得持续观察。

5、中国公司在RISC-V上的投入正引起美国越来越多关切,但美国目前缺乏制裁的工具。去年11月,美国国会中美战略竞争特别委员会致信美国商务部长,表示担心RISC-V可能促进中国芯片设计生态系统的发展,破坏美国的出口管制,要求采取措施应对。Arm据报道正在游说拜登政府对RISC-V进行限制。美国政策界对此的讨论也越来越多。但从实操上来说,控制中国使用RISC-V技术很难,RISC-V国际基金会2020年3月将总部从美国搬到瑞士,严重限制了美国政府的管辖权。BIS目前无法限制RISC-V标准的发布或中国公司参与,最多只能基于属人管辖权限制美国公司的参与。

3·29新规没有改变美国要限制的半导体制程标线,是一次小修小补。长期看,这种修补会越来越多、越来越快,国会不断想各种办法堵住先进芯片和制造设备流向中国的漏洞,这显然会影响英伟达和泛林等美国公司来自中国的营收,并且会持续倒逼先进芯片和半导体制造设备的国产自主。中国方面可能会继续利用各种漏洞获得所需的先进AI芯片和芯片制造设备,但随着一个个漏洞相继被堵上,中国获得GPU等先进AI芯片会越来越困难,没有最先进GPU驱动的人工智能产业,发展将不可避免受到影响,和美国的差距会拉大。美国对先进半导体制造设备的严格管制,以及潜在的西方多边出口管制体系的成型,使中国国产自主的紧迫性前所未有地增加,也格外考验中国的应对策略。

东不压桥研究院
关注地缘政治竞争中的科技政策与数字治理,仅代表个人观点,与作者所在的组织无关。
 最新文章